【導讀】如【一個小知識】雷達—科技圈的低調王者，你真的懂？（上）所suo述shu，雷lei達da神shen通tong廣guang大da，無wu處chu不bu在zai地di改gai變bian著zhe我wo們men的de生sheng活huo體ti驗yan
，但dan萬wan變bian不bu離li其qi宗zong。雷lei達da令ling人ren眼yan花hua繚liao亂luan的de應ying用yong場chang景jing，不bu外wai乎hu都dou基ji於yu它ta的de三san大da應ying用yong原yuan理li：測距
、測角和測速。

那麼，雷達的測距、測角和測速又是怎麼回事？看完此文保證你秒懂！

雷達測距

根gen據ju雷lei達da原yuan理li

，被bei測ce目mu標biao會hui把ba接jie收shou到dao的de電dian磁ci波bo反fan射she回hui雷lei達da，不bu過guo反fan射she回hui來lai的de電dian磁ci波bo肯ken定ding和he發fa射she出chu去qu時shi的de電dian磁ci波bo變bian得de有you點dian不bu一yi樣yang了le。就jiu好hao比bi我wo們men小xiao時shi候hou如ru果guo幹gan幹gan淨jing淨jing的de出chu門men，但dan裹guo著zhe滿man身shen泥ni巴ba回hui家jia，父fu母mu就jiu會hui判pan斷duan我wo們men在zai地di上shang打da滾gun了le，如ru果guo回hui家jia時shi間jian太tai晚wan，那na就jiu很hen可ke能neng是shi跑pao到dao更geng遠yuan的de隔ge壁bi村cun了le。同tong樣yang的de
，通tong過guo對dui比bi原yuan始shi的de雷lei達da發fa射she脈mai衝chong和he回hui波bo脈mai衝chong之zhi間jian的de延yan遲chi時shi間jian(小孩出門時間)
，就可以用來估算目標與雷達站點之間的距離。

舉個栗子，電磁波在空氣中傳播的速度大約是光速 c，即3*10^8m/s，小學學習乘法時，就已經有類似的應用題，距離=速度*時(shi)間(jian)。隻(zhi)是(shi)說(shuo)，雷(lei)達(da)脈(mai)衝(chong)所(suo)走(zou)的(de)路(lu)程(cheng)

，是(shi)雷(lei)達(da)站(zhan)和(he)目(mu)標(biao)之(zhi)間(jian)的(de)一(yi)個(ge)來(lai)回(hui)
，因(yin)此(ci)距(ju)離(li)的(de)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)，就(jiu)變(bian)成(cheng)了(le)圖(tu)片(pian)。怎(zen)麼(me)樣(yang)，連(lian)小(xiao)學(xue)生(sheng)都(dou)聽(ting)得(de)懂(dong)吧(ba)？

圖1 雷達測距原理

雷達測角

哪(na)怕(pa)是(shi)千(qian)年(nian)古(gu)樹(shu)
，樹(shu)冠(guan)雖(sui)大(da)，但(dan)樹(shu)幹(gan)永(yong)遠(yuan)是(shi)最(zui)初(chu)的(de)基(ji)礎(chu)與(yu)成(cheng)長(chang)的(de)源(yuan)頭(tou)。不(bu)管(guan)通(tong)過(guo)雷(lei)達(da)測(ce)距(ju)，雖(sui)然(ran)能(neng)夠(gou)得(de)到(dao)目(mu)標(biao)和(he)雷(lei)達(da)站(zhan)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)
，但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)不(bu)通(tong)過(guo)測(ce)角(jiao)來(lai)確(que)定(ding)出(chu)具(ju)體(ti)方(fang)位(wei)

，目(mu)標(biao)就(jiu)仿(fang)佛(fo)是(shi)修(xiu)煉(lian)了(le)鬼(gui)影(ying)神(shen)功(gong)的(de)東(dong)瀛(ying)忍(ren)者(zhe)
，能(neng)以(yi)該(gai)距(ju)離(li)為(wei)半(ban)徑(jing)，360°全方位變換出無數個影分身迷惑住雷達站。對待這種難纏的敵人，就是時刻去琢磨他!分析他!研究他!最終找到突破點
，從而一戰勝之。

事實上
，不論是雷達回波，還是什麼奇奇怪怪的電磁波
，無非都是從三個方向去剖析它，分別是幅度、頻率和相位。而雷達測角功能，就可以通過相位，或者幅度的信息量來獲得。未來雷達如何發展
，掌握其原理，才握住了其命脈。

振幅法測角

振幅法主打的就是簡單粗暴。雷達站將會在一定的扇形範圍內

，或者直接360°範(fan)圍(wei)內(nei)重(zhong)拳(quan)出(chu)擊(ji)。隻(zhi)有(you)當(dang)雷(lei)達(da)波(bo)束(shu)打(da)到(dao)真(zhen)正(zheng)的(de)目(mu)標(biao)上(shang)
，才(cai)會(hui)有(you)回(hui)波(bo)返(fan)回(hui)到(dao)雷(lei)達(da)站(zhan)
，雷(lei)達(da)站(zhan)隻(zhi)要(yao)找(zhao)到(dao)回(hui)波(bo)脈(mai)衝(chong)串(chuan)的(de)最(zui)大(da)值(zhi)，就(jiu)能(neng)確(que)定(ding)這(zhe)一(yi)個(ge)時(shi)刻(ke)波(bo)束(shu)的(de)指(zhi)向(xiang)
，就(jiu)是(shi)目(mu)標(biao)的(de)所(suo)在(zai)方(fang)向(xiang)!

圖2 振幅法測角原理

相位法測角

相位法利用多個天線所接收回波信號之間的相位差來進行測角。

圖3 相位法測角原理

舉個栗子，兩個天線間距離已知為 d，因此它們所收到的回波由於存在波程差∆R，肯定會有一相位差 ɸ。高中物理時學過，相位=頻率*時間，因此

也就是說，隻要通過一個相位計，測出兩個接收天線間的相位差，目標方向的角度 ɵ 就呼之欲出了!

相(xiang)比(bi)起(qi)來(lai)，振(zhen)幅(fu)法(fa)的(de)原(yuan)理(li)似(si)乎(hu)比(bi)相(xiang)位(wei)法(fa)簡(jian)單(dan)多(duo)了(le)
，但(dan)是(shi)振(zhen)幅(fu)法(fa)自(zi)身(shen)還(hai)是(shi)有(you)不(bu)少(shao)局(ju)限(xian)性(xing)
，比(bi)如(ru)雷(lei)達(da)發(fa)送(song)兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)脈(mai)衝(chong)時(shi)，肯(ken)定(ding)是(shi)有(you)一(yi)定(ding)轉(zhuan)角(jiao)的(de)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)會(hui)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)“量化測角誤差”，更嚴重的是，如果轉角過大，目標偏離波束軸線太遠，有可能直接就漏掉目標了。

雷達測速

得到目標距離和方位的“小雷達們”不禁沾沾自喜
，“目標位置已鎖定，隨時準備全軍出 擊!” 殊不知，萬事萬物都是在時刻變化的。等到大軍到達之前鎖定好的戰場，可能早就已經是“昔人已乘黃鶴去

，此地空餘黃鶴樓”了。因此時刻把握敵軍的運動情況(測速)，並推演出下一時刻目標出現的位置
，才是製勝的寶典。

多普勒效應

雖然連續波雷達實際中並不常用，但還是可以從最簡單的連續波雷達來引入這個話題。假如連續波雷達信號的的角頻率為W0
，當目標和雷達之間存在相對運動時
，兩者間的距離 R 就會隨時間變化，即R(t)=R0-vt。其中
，R0 為 t=0 時刻的距離

，v 為目標相對雷達的徑向運動速度。因此
，雷達回波的時延

，那麼回波信號相比起發射信號來說

，相位差為，如果把該相位差再對時間求導，就得到了一個頻率差，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，目(mu)標(biao)和(he)雷(lei)達(da)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)對(dui)運(yun)動(dong)速(su)度(du)，和(he)發(fa)射(she)波(bo)與(yu)回(hui)波(bo)間(jian)頻(pin)率(lv)差(cha)，存(cun)在(zai)著(zhe)正(zheng)比(bi)關(guan)係(xi)。如(ru)果(guo)雷(lei)達(da)站(zhan)和(he)目(mu)標(biao)之(zhi)間(jian)有(you)相(xiang)向(xiang)運(yun)動(dong)時(shi)，接(jie)收(shou)者(zhe)在(zai)單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)內(nei)收(shou)到(dao)的(de)振(zhen)蕩(dang)數(shu)目(mu)要(yao)比(bi)它(ta)們(men)不(bu)動(dong)的(de)時(shi)候(hou)更(geng)多(duo)一(yi)些(xie)，等(deng)效(xiao)為(wei)就(jiu)是(shi)頻(pin)率(lv)增(zeng)加(jia)了(le);二者間做背向運動時，頻率就會減少。其實這就是我們平時所熟知的多普勒效應。

典型雷達測速場景 

在實際應用中，脈衝雷達才是雷達工作的主要方式

，而脈衝對應的頻譜是在頻譜上無線寬的一個 sinc 函數。

圖4 脈衝信號時域圖

圖5 脈衝信號頻域圖

要像單一頻率的連續波那樣，直接測量 sinc 函數的頻偏，似乎就不那麼容易了。但是條條大路都能通羅馬
，眼前的障礙
，最靠譜的方式，往往是選擇繞過去!

圖6 脈衝雷達測速原理框圖

接收機會將連續波信號 uk 和回波信號 ur 做一個簡單的加法運算
，然後再求出這個和信號相幹檢波後的包絡。

相幹檢波 

這zhe裏li需xu要yao額e外wai提ti一yi句ju相xiang幹gan檢jian波bo，它ta是shi會hui根gen據ju載zai波bo的de相xiang位wei信xin息xi去qu檢jian測ce並bing接jie收shou信xin號hao。比bi如ru兩liang個ge同tong幅fu同tong相xiang的de正zheng弦xian波bo，它ta們men相xiang加jia後hou

，幅fu值zhi會hui疊die加jia為wei原yuan來lai的de兩liang倍bei; 但如果是同幅反相的正弦波，相加後，幅值不僅不會增加，反而會消減為 0。

因此圖6中最終合成的信號的幅度

，還得取決於回波和發射波之間的相位差值。其中，U0 是連續振蕩的基準電壓經過檢波後的輸出，它是一直存在的，而則表示回波和基準電壓做相幹檢波後，疊加上去的信號分量
，並且它隻存於回波信號到來的期間。

假如是一個固定不動的目標
，收到的回波和發射波之間的相位差必bi然ran是shi一yi個ge常chang數shu。因yin此ci，檢jian波bo後hou，隔ge去qu直zhi流liu分fen量liang，就jiu可ke以yi得de到dao一yi串chuan等deng幅fu的de脈mai衝chong輸shu出chu。但dan是shi，對dui於yu運yun動dong的de目mu標biao而er言yan，回hui波bo相xiang對dui於yu發fa射she波bo的de相xiang位wei差cha會hui隨sui時shi間jian改gai變bian。

圖7 相幹檢波時域波形圖

因此，隔去直流後的脈衝信號包絡為

其中，多普勒頻移，即。

呀!這不就和連續波雷達求得的多普勒頻率公式一樣了嘛，多普勒頻率和目標的徑向運動速度成正比關係!隻是說脈衝雷達的多普勒頻率剛好就是回波脈衝的包絡調製頻率
，這相當於是連續波雷達工作的一個取樣狀態。

看到這裏

，必須為你撒花！鼓掌！點讚！雖然這一章節有一丟丟的燒腦
，但是我相信，雷達測距、測角和測速的原理你已經了然於胸了！

下篇文章
，我們會為大家介紹雷達工程師的好隊友——那些優秀的測試設備
，是如何為雷達的應用加速助威的，敬請期待！

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